CN2889820Y - 一种铁路列车全方位立体化自动识别预警和避碰防护装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了铁路列车自动识别预警和避碰防护装置。主机上分别连接一根800M天线和一根GPS天线，同时还分别连接两个终端控制器，所述主机是由通信单元和主处理器单元构成。该装置采用SOTDMA(自组织时分多址)技术，结构合理，制式统一，能够随时收集本车、列尾、他车、道口和施工现场的动态信息，可实现列车间接近安全预警和避碰、列车尾部安全防护、上道作业人员对接近列车的防护、道口故障列车二次事故防护和线路施工时限速预警；还可以避免列车安全防护系统与无线列调的相互干扰，避免防护设备重复投资和建设，应用于铁路列车安全防护，也可以应用于特种车辆和水上交通的安全防护和管理，有很好的社会和经济效益。

Description

一种铁路列车全方位立体化自动识别预警和避碰防护装置

技术领域

本实用新型涉及无线通信，特别适用于一种铁路列车全方位立体化自动识别预警和避碰防护装置。

背景技术

近年来我国的铁路不断提速，有些路段时速已超过200公里，现有的铁路安全防护设备主要有：列车接近安全预警系统、铁路道口防撞装置等。但这些设备都是被动的防护装置，设备之间的通信手段主要是采用数传电台，通信方式仅限于点对点或点对多点，不能实现多点间互不干扰的通信；不能检测列车位置和实现列车间隔控制，防止列车的相撞和追尾事故的发生；更主要的在于设备种类多、功能单一、制式不统一、设备之间缺乏互通性。列车速度的不断提高靠地面信号行车已不能保证行车安全，必须靠车载自动防护设备对列车实施运行控制。现在我国的铁路交通中(不包括地铁和轻轨)还没有完整的列车自动防护设备。

发明内容

本实用新型的发明目的是提供一种结构合理，制式统一，能够随时收集本车、列尾、他车、道口和施工现场的动态信息，可实现列车间、列车与道口或施工现场点对点、点对多点和多点对多点的数据通信，覆盖范围为五到十公里的一种铁路列车全方位立体化自动识别预警和避碰防护装置。

实现发明目的的技术方案是这样解决的：一种铁路列车全方位立体化自动识别预警和避碰防护装置，其本实用新型的改进之处在于主机上分别连接一根800M天线和一根GPS天线，同时还分别连接两个终端控制器，所述主机是由通信单元和主处理器单元构成，其通信单元包括GPS天线接收卫星信号输入给GPS接收模块，GPS接收模块对接收信号进行处理后输出时间同步信号到DSP处理器；无线发射模块将从基带信号处理器接收的信号进行上变频转换，经射频开关输入给800M天线发射；800M天线接收无线信号经射频开关和匹配器输入到无线接收模块，无线接收模块对接收信号进行下变频转换后将信号输入给基带信号处理器；基带信号处理器将从DSP处理器接收的信号经GMSK调制后输入给无线发射模块、同时又将从无线接收模块接收信号经GMSK解调后输入给DSP处理器；所述DSP处理器接收GPS接收模块输入信号通过基于GPS的时域标记脉冲实现与网络同步，DSP处理器通过对基带信号处理器输入信号的处理，建立整个系统的时隙表，完成TDMA的网络登陆、维护，把相关的数据再以不同格式发送给外部通讯接口电路，DPS处理器对从外部通讯接口电路接收的数据，经HDLC打包处理后发送到指定的时隙，输入给基带信号处理器，DSP处理器输出信号控制射频参数调整电路，射频参数调整电路分别将调整后的控制信号输入给无线接收模块和无线发射模块，控制无线接收模块的接收频点和接收动态范围，控制无线发射模块的发送频点和发送增益；电源向各电路供电。

所述主处理器单元包括一个嵌入式处理器，其嵌入式处理器分别与通信接口模块，信息采集模块，CAN接口模块，驱动控制模块连接并控制其工作状态；其通信接口模块与通信单元接口相互连接，嵌入式处理器将本机车的运行状态自主周期的经通信接口模块输入给通信单元发射，同时通过通信接口模块接收通信单元收到的其它列车运行信息、列尾信息、道口信息和施工区信息；信息采集模块与机车已安装的运监装置TAX箱相互连接，获取本机车的运行状态，包括日期、时间、速度、公里标、总重、计长、辆数、车次、交路号、车站号、司机号等；CAN接口模块与终端控制器接口相互连接，嵌入式处理器经CAN接口模块向终端控制器发送系统获取的要求在液晶屏显示的信息；驱动控制模块与告警装置连接，嵌入式处理器对接收到的各设备状态信息和本车运行状态信息按照列车安全运行规则进行处理，对出现有安全隐患的事件启动安全预警机制，经驱动控制模块驱动告警装置发出声光告警信号；

所述终端控制器包括有一个嵌入式处理器，其嵌入式处理器与液晶屏连接，完成系统信息的显示；触摸屏、键盘与嵌入式处理器连接，作为系统的输入设备；嵌入式处理器与CAN接口模块相互连接，CAN接口模块另一端与主机接口相互连接，嵌入式处理器通过CAN接口模块接收主机发送来要求显示的信息；嵌入式处理器与音频接口模块连接，嵌入式处理器通过音频接口模块向扬声器输出语音提示信号。

本实用新型与现有技术相比，结构合理，制式统一，能够随时收集本车、列尾、他车、道口和施工现场的动态信息，可实现列车间、列车与道口或施工现场点对点、点对多点和多点对多点的数据通信，覆盖范围为五到十公里。可实现列车间接近安全预警和避碰、列车尾部安全防护、上道作业人员对接近列车的防护、道口故障列车二次事故防护和线路施工时限速预警；该装置与车站安装的DMIS(地面信息采集系统)系统相结合，可实现列车对车站内兰白灯信号的识别和防护；通过该装置还可以发布铁路交通信息，包括交通事故发生、道路施工、气候变化等信息。该装置的使用，增强了列车间的避碰措施和列车的全局意识；还可以避免列车安全防护系统与无线列调的相互干扰，避免防护设备重复投资和建设，也可以节约铁路宝贵的无线电频率资源。该发明主要应用于铁路列车安全防护，也可以应用于特种车辆和水上交通的安全防护和管理，有很好的社会和经济效益。

装置的特点：

1、双通道的接收功能：该装置设计有两个独立的无线接收通道，可以同时接收821MHz～870MHz任意两个频点的信息。

2、带宽的发射工作带宽：该装置发射部份的工作带宽为821MHz～870MHz，在带宽的工作要求下，能保持发射功率平稳，发射调制频偏变化≤0.5dB。

3、强大的处理功能：该装置采用嵌入式WinCE实时操作系统和高性能ARM9嵌入式处理器，保证了系统的强大处理能力和实时性。

4、支持多点到多点通信：该装置采用了国际上先进的SOTDMA多点间通信技术，可实现点对点、点对多点和多点对多点的数据通信。

5、采用国际标准协议：该装置采用标准ITU-R M.1371-1协议，可保证系统的互通性和扩展性；

6、列车间隔控制功能：该装置使运行中的列车之间可以进行信息交流，通过速度—距离模式曲线控制可避免列车间相撞或追尾事故的发生。

7、双终端控制器：该装置在列车两端司机室均安装有终端控制器，具有速度显示和报警功能。显示器采用零下20度低温LCD液晶屏，分辨率为800*600；

8、GPS功能：该装置采用GPS提供统一的时间和经纬度，通过基于GPS的时域标记脉冲实现网络同步，GPS输出信息采用NEMA-0813格式；

9、触摸屏输入：该装置采用先进的触摸屏技术，使系统操作、维护更加简单方便。

10、在线维护和升级功能：该装置支持在线维护和远程升级功能，设备出现故障，或修改系统参数配置，或增加新功能，新的修改数据或软件版本可以由生产厂家或维护人员进行远程在线维护与升级。

装置的主要技术性能指标：

1、工作频段：821～870MHz±2.5ppm；

2、频道带宽：25KHz/12.5KHz；

3、数据传输速率：9600bps；

4、发射功率：2W；

5、接收灵敏度：-110dbm；

6、调制方式为：GMSK；

7、通信方式为：TDMA；

8、网络接入时间：＜1min；

9、同步精度：发射起始相对时隙0点，跳动±312us；

10、CAN总线：兼容CAN2.0B标准，速率为512Kbps；

11、RS232接口：符合V.24标准，速率为19.2Kbps

12、RS485接口：符合RS485标准，速率为19.2Kbps

13、工作环境：

A、温度：-40℃～+55℃；

B、湿度：40℃，相对湿度90％～95％；

C、震动：满足IEC60945标准；

D、电磁兼容：满足IEC60945标准；

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为图1的通信单元原理框图；

图3为图1的主处理器单元原理框图；

图4为图1的终端控制器原理框图；

图5为图1的设备应用模式框图；

图6为图2基带信号处理器原理图；

图7为图3、图4CAN接口模块原理图；

图8为图2DSP处理器原理图；

图9为图4终端控制器LCD、触摸屏、键盘、音频接口模块原理图；

图10为图3、图4ARM9嵌入式处理器模块原理图A；

图11为图2电源原理图；

图12为图2无线接收模块和发送模块原理图；

图13为图3、图4终端控制器ARM9嵌入式处理器模块原理图B；

图14为图3、图4终端控制器ARM9嵌入式处理器模块原理图C；

图15为图3、图4终端控制器ARM9嵌入式处理器模块原理图D。

具体实施方式

附图为本实用新型的实施例

下面结合附图对本发明的内容作进一步说明：

参照图1～图4所示，一种铁路列车全方位立体化自动识别预警和避碰防护装置，其主机1上分别连接一根800M天线和一根GPS天线，同时还分别连接终端控制器2和终端控制器3，所述主机1是由通信单元和主处理器单元构成，其通信单元包括GPS天线接收卫星信号输入给GPS接收模块4，GPS接收模块4对接收信号进行处理后输出时间同步信号到DSP处理器7；无线发射模块5将从基带信号处理器6接收的信号进行上变频转换，经射频开关14输入给800M天线发射；800M天线接收无线信号经射频开关14和匹配器13输入到无线接收模块11和无线接收模块12，无线接收模块11、无线接收模块12对接收信号进行下变频转换后将信号输入给基带信号处理器6；基带信号处理器6将从DSP处理器7接收的信号经GMSK调制后输入给无线发射模块5、同时又将从无线接收模块11和无线接收模块12接收信号经GMSK解调后输入给DSP处理器7；所述DSP处理器7接收GPS接收模块4输入信号通过基于GPS的时域标记脉冲实现与网络同步，DSP处理器7通过对基带信号处理器6输入信号的处理，建立整个系统的时隙表，完成TDMA的网络登陆、维护，把相关的数据再以不同格式发送给外部通讯接口电路8，所说的通信单元是按照ITU-RM.1371协议，以ITDMA增量时分多址方式接入网络，以SOTDMA自控时分多址方式连续运行，构成整个TDMA完整性网络。DPS处理器7对从外部通讯接口电路8接收的数据，经HDLC打包处理后发送到指定的时隙，输入给基带信号处理器6，DSP处理器7输出信号控制射频参数调整电路10，所说的DSP处理器7通过对射频参数调整电路10的编程改变无线发送和接收频段，射频参数调整电路10分别将调整后的控制信号输入给无线接收模块11、无线接收模块12和无线发射模块5，控制无线接收模块11、无线接收模块12的接收频点和接收动态范围，控制无线发射模块5的发送频点和发送增益，所说的无线接收模块11和无线接收模块12在指定的两个频点上同时接收GMSK信号；电源9向各电路供电。

所述主处理器单元包括一个嵌入式处理器16，其嵌入式处理器16分别与通信接口模块15，信息采集模块19，CAN接口模块17，驱动控制模块18连接并控制其工作状态；其通信接口模块15与通信单元接口相互连接，嵌入式处理器16将本机车的运行状态自主周期的经通信接口模块15输入给通信单元发射，同时通过通信接口模块15接收通信单元收到的它车运行信息、列尾信息、道口信息和施工区信息；信息采集模块19与机车已安装的运监装置TAX箱相互连接，获取本机车的运行状态，包括日期、时间、速度、公里标、总重、计长、辆数、车次、交路号、车站号、司机号等；CAN接口模块17与终端控制器相互连接，嵌入式处理器16经CAN接口模块17向终端控制器2和终端控制器3发送系统获取的要求在液晶屏显示的信息；驱动控制模块18与告警装置连接，嵌入式处理器16对接收到的各设备状态信息和本车运行状态信息按照列车安全运行规则进行处理，对出现有安全隐患的事件启动安全预警机制，经驱动控制模块18驱动告警装置发出声光告警信号；

所述终端控制器2或终端控制器3中包括有一个嵌入式处理器21，其嵌入式处理器21与液晶屏20连接，完成系统信息的显示；触摸屏26、键盘25与嵌入式处理器21连接，作为系统的输入设备；嵌入式处理器21与CAN接口模块22相互连接，CAN接口模块22另一端与主机1相互连接，嵌入式处理器21通过CAN接口模块22接收主机发送来要求显示的消息；嵌入式处理器21与音频接口模块23连接，处理器21通过音频接口模块23向扬声器24输出语音提示信号。

图5所示为本实用新型的一个应用模式框图的实施例：

当列车A运行前方五公里范围内有铁路道口；列车B与列车A相向运行，间距小于五公里；列车C与列车B同向运行，间距小于五公里；列车C运行前方五公里范围内有施工现场；列车A、B、C和铁路道口、施工现场都装备有本实用新型装置。

1、列车A与道口可以进行信息交流，道口设备根据接收到列车A的位置和速度等信息，可以预知列车A到达的时间；列车A根据接收到道口的信息，可以得知道口的状态和限速，当得知道口发生事故或故障时可采取必要的安全防护措施。

2、列车A与列车B可以进行信息交流，列车A和B根据接收的列车运行信息，可以知道对方的位置、速度和运行状态。

3、列车B与列车C可以进行信息交流，列车B和C根据接收的列车运行信息，可以知道对方的位置、速度和运行状态；根据列车安全运行规则和协商避碰算法，列车B和C动态控制列车间隔，防止列车追尾事故的发生。

4、列车C与施工区可以进行信息交流；施工现场设备根据接收到列车C的位置和速度等信息，可以预知列车C到达的时间；列车C可以根据接收到施工现场的信息，可以得知施工现场的状态和限速，当得知施工现场发生事故时可采取必要的安全防护措施。

图6为图2的基带信号处理器6原理图，其中U1是基带信号处理器CML910，完成基带信号的调制和解调；X1是19.2MHZ钟振为基带信号处理器6提供主时钟；U1连接图12的U19、U21、U22和图8的U6。

图7为图3、图4的CAN接口模块17原理图，其中U2、U4是CAN控制器SJA1000，U3、U5是CAN总线收发器PCA82C250；U2、U3及外围器件组成第一路CAN接口，U4、U5及外围器件组成第二路CAN接口。嵌入式处理器21通过两路CAN接口完成主机与终端控制器的通信；U2、U4连接图13的U23A。

图8为图2的DSP处理器7原理图，其中U6是DSP处理器TMS320VC54，完成经解调后或调制前的数据信号的处理，SOTDMA算法的实现和射频电路参数的调整；U7是RS232接口转换芯片SP3223，完成DSP串行口的TTL电平到RS232电平的转换；U8是可编程的频率合成器ADF4360，为无线发射模块5和无线接收模块11、12提供本振时钟信号；U6连接图6的U1，U7连接图14的U24。

图9为图4的终端控制器LCD接口、触摸屏接口、键盘接口、音频接口模块原理图，KEY1用于连接键盘，处理器通过IO接口读取键盘状态；J3用于连接液晶屏，处理器通过内部LCD控制器输出显示数据信号到液晶屏；J4用于连接触摸屏，处理器通过内部触摸屏控制器接收触摸屏输出信号；U9是数字声卡芯片UDA1341，U9及外围器件组成音频接口模块，完成输出语音数字信号的解码；KEY1、J3、J4、U9连接图14、图15的U23。

图10为图3、图4的ARM9嵌入式处理器模块原理图A，其中U10、U11是SDRAM存储器HY57V561620，U12是FLASH存储器K9K1G08；U10、U11作为系统程序执行和临时数据暂存的存储器，U12是系统程序、数据永久存放的存储器；U10、U11、U12连接图13的U23A。

图11为图2的电源原理图，其中U13(MAX1806)、U14(LT1086)、U17(SP1117)、U27(SP1117)是DC/DC电压转换芯片，U13完成3.3V到1.3V电压转换，U14完成5V到3.3V电压转换，U17完成3.3V到1.8V电压转换，U27完成5V到2.5V电压转换；U15(IMP809T)是上电复位芯片，U16(74HC04)是逻辑非门，U15、U16及其外围电路组成嵌入式处理器S3C2440、CAN控制器SJA1000、基带信号处理器CML910的复位电路；BT1为3V钮扣电池，BT1与D1、D2组成嵌入式处理器S3C2440RTC的备用电源；K1是继电器TQ2-5V，Q1是三极管2N5551；K1、Q1及外围器件组成驱动控制模块，嵌入式处理器通过控制继电器的闭合完成对外部告警装置的控制；CON1为嵌入式处理器S3C2440USB连接器。

图12为图2的无线接收模块和发送模块原理图，其中U18是功率放大器RF3166，U19是上变频芯片LT5568，U18、U19组成无线发射模块，完成对输入信号的上变频处理和功率放大；U21、U22是下变频芯片LT5516，完成两路射频信号的下变频处理；U20是射频开关芯片HMC174，完成无线收发信号的切换；U19、U21、U22连接到图6的U1。

图13为图3、图4的ARM9嵌入式处理器模块原理图B，其中U23A是ARM9嵌入式处理器S3C2440。

图14为图3、图4的ARM9嵌入式处理器模块原理图C，U23B是ARM9嵌入式处理器S3C2440；U24是RS232接口转换芯片SP3223，完成嵌入式处理器串行口的TTL电平到RS232电平的转换，连接图8的U7；U25、U26是RS485接口转换芯片MAX3485，完成入式处理器串行口的TTL电平到RS485电平的转换，用于连接外部机车监控设备TAX箱接口。

图15为图3、图4的ARM9嵌入式处理器模块原理图D，其中U23C是ARM9嵌入式处理器S3C2440；X2是16.9344MHZ晶体振荡器，为ARM9嵌入式处理器S3C2440提供主时钟；X3是32.768KHZ晶体振荡器，为ARM9嵌入式处理器S3C2440提供RTC时钟。

Claims (5)

1、一种铁路列车全方位立体化自动识别预警和避碰防护装置，其特征在于主机(1)上分别连接一根800M天线和一根GPS天线，同时还分别连接终端控制器(2)和终端控制器(3)，所述主机(1)是由通信单元和主处理器单元构成，其通信单元包括GPS天线接收卫星信号输入给GPS接收模块(4)，GPS接收模块(4)对接收信号进行处理后输出时间同步信号到DSP处理器(7)；无线发射模块(5)将从基带信号处理器(6)接收的信号进行上变频转换，经射频开关(14)输入给800M天线发射；800M天线接收无线信号经射频开关(14)和匹配器(13)输入到无线接收模块(11)和无线接收模块(12)，无线接收模块(11)和无线接收模块(12)对接收信号进行下变频转换后将信号输入给基带信号处理器(6)；基带信号处理器(6)将从DSP处理器(7)接收的信号经GMSK调制后输入给无线发射模块(5)、同时又将从无线接收模块(11)和无线接收模块(12)接收信号经GMSK解调后输入给DSP处理器(7)；所述DSP处理器(7)接收GPS接收模块(4)输入信号通过基于GPS的时域标记脉冲实现与网络同步，DSP处理器(7)通过对基带信号处理器(6)输入信号的处理，建立整个系统的时隙表，完成TDMA的网络登陆、维护，把相关的数据再以不同格式发送给外部通讯接口电路(8)，DPS处理器(7)对从外部通讯接口电路(8)接收的数据，经HDLC打包处理后发送到指定的时隙，输入给基带信号处理器(6)，DSP处理器(7)输出信号控制射频参数调整电路(10)，射频参数调整电路(10)分别将调整后的本振信号输入给无线接收模块(11)、无线接收模块(12)和无线发射模块(5)，控制无线接收模块(11)和无线接收模块(12)的接收频点和接收动态范围，控制无线发射模块(5)的发送频点和发送增益；电源(9)向各电路供电，所述主处理器单元包括一个嵌入式处理器(16)，其嵌入式处理器(16)分别与通信接口模块(15)，信息采集模块(19)，CAN接口模块(17)，驱动控制模块(18)连接并控制其工作状态；其通信接口模块(15)与通信单元接口相互连接，嵌入式处理器(16)将本机车的运行状态自主周期的经通信接口模块(15)输入给通信单元发射，同时通过通信接口模块(15)接收通信单元收到的其它列车运行信息、列尾信息、道口信息和施工区信息；信息采集模块(19)与机车已安装的运监装置TAX箱相互连接，获取本机车的运行状态，包括日期、时间、速度、公里标、总重、计长、辆数、车次、交路号、车站号、司机号；CAN接口模块(17)与终端控制器相互连接，嵌入式处理器(16)经CAN接口模块(17)向终端控制器(2)和终端控制器(3)发送系统获取的要求在液晶屏显示的信息；驱动控制模块(18)与告警装置连接，嵌入式处理器(16)对接收到的各设备状态信息和本车运行状态信息按照列车安全运行规则进行处理，对出现有安全隐患的事件启动安全预警机制，经驱动控制模块(18)驱动告警装置发出声光告警信号；所述终端控制器(2)或终端控制器(3)中包括有一个嵌入式处理器(21)，其嵌入式处理器(21)与液晶屏(20)连接，完成系统信息的显示；触摸屏(26)、键盘(25)与嵌入式处理器(21)连接，作为系统的输入设备；嵌入式处理器(21)与CAN接口模块(22)相互连接，CAN接口模块(22)另一端与主机(1)相互连接，嵌入式处理器(21)通过CAN接口模块(22)接收主机发送来要求显示的消息；嵌入式处理器(21)与音频接口模块(23)连接，处理器(21)通过音频接口模块(23)向扬声器(24)输出语音提示信号。

2、根据权利要求1所述的一种铁路列车全方位立体化自动识别预警和避碰防护装置，其特征在于所说的通信单元是按照ITU-R M.1371协议，以ITDMA增量时分多址方式接入网络，以SOTDMA自控时分多址方式连续运行，构成整个TDMA完整性网络。

3、根据权利要求1所述的一种铁路列车全方位立体化自动识别预警和避碰防护装置，其特征在于所说的无线接收模块(11)和无线接收模块(12)在指定的两个频点上同时接收GMSK信号。

4、根据权利要求1所述的一种铁路列车全方位立体化自动识别预警和避碰防护装置，其特征在于所说的DSP处理器(7)通过对射频参数调整电路(10)的编程改变无线发送和接收频段。

5、根据权利要求1所述的一种铁路列车全方位立体化自动识别预警和避碰防护装置，其特征在于所说的主机通过双CAN总线与两个终端控制器连接通信。

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